轮式装备横向移位装置的研究

维普资讯 http://www.cqvip.com 天津建设科技２００８・增刊　城市基础设施建设　轮式装备横向移位装置的研究　荣思海　魏海滨２　（１．天津市铁路集团有限公司，天津３０００６０；２．军事交通学院，天津３００１６１）　摘要：根据铁路运输中轮式装备横向移位的需求，以我国目前轮式重装备为研究对象，　研制了一种新型移位器。运用新材料，采用机械方式，从减阻和减重研究入手，提　出了移位器的总体设计方案，并利用ＡＮＳＹＳ程序对设计进行了仿真分析。　关键词：铁路运输；横向移位装置；仿真分析　中图分类号：Ｕ４４５．３２文献标识码：Ｃ文章编号：１００８—３１９ｒ７（２００８）ｓ２—０３４１—０３　对具有超长、超宽、超高、超重等特征的轮式装　备而言，铁路装载和运行中处理装备横向移位的问　题日益突显。但目前铁路系统尚没有成型的移位装　置配合装载，结合铁路对处理轮式装备横向移位的　需求，研制了一种新型移位装置，它不仅能解决轮式　器承载重量按１５　ｔ计算；根据轮式车辆荷载主要　技术指标对前、后轮胎着地宽度及长度的有关规　定，结合我们对铁路运输的调研情况，设计中取　上部钢板尺寸为０．６　ｍ×０．４　ｍ；根据现有轮式装　备的装载水平，确定一次移动距离为０．１５　ｍ；设　计中取钢板厚度为０．０１２　ｍ，四氟板厚度为０．０２　ｍ。根据设计要求，外形尺寸为１．２　ｍ×０．６　ｍ×　装备的横向移位问题，而且不需要外界动力源驱动、　操作简单、重量轻、安全性高。　１移位器结构设计　１．１设计指标的确定　０．０７５　ｍ，综合考虑移位器中的钢板（密度７．８　ｔ／　ｍ３），四氟板（密度２．２　ｔ／ｍ３），玻璃钢支撑座（密度　１．８　ｔ／ｍ３）等主要部件，经计算，整体质量＜９０　ｋｇ。　移位器的设计指标见表１。　根据目前我国轮式装备的保有情况，轴重均　在１７　ｔ以下，轮重＜１０　ｔ，偏于安全考虑，每个移位　表１设计指标要求　外形尺寸（一）　１　２００×６０ｏ×７５　质量　≤９ｏ　Ｉ【ｇ　承载重量　≤１５　ｔ／个　移动距离　≤１５０　ｍｌ／ｌ　适用范围　轴荷≤１７　ｔ的轮式　装备　１．２总体结构设计　根据移位器的功能要求，对铁路车辆横向移　位装置和铁路桥梁架设移位装置的技术特点进　行了解剖、分析、消化和吸收，在此基础上进行技　收稿日期：２００８—０４—１７　作者简介：荣思海（１９５４一），男，高级工程师，从事工程管理工　作。　术设计，研制了适用于轮式重装备的新型移位　器。这种新型的移位装置总体结构设计见图１。　它是以操作手施力作为动力源，利用设置在导向　框上的施力机构作用于复合尼龙，复合尼龙与钢　板相连，钢板配合聚四氟乙烯板滑动，从而达到　调整重装备横向位移的目的，实现移位器的工作　过程。　－－－——３４１－－－——　维普资讯 http://www.cqvip.com 城市基础设施建设　ｌｌ　／　，　＿　￡‘Ｃ　　。　８口　　Ｃ　Ｃ　口　口　口　０　ｑ　口　０　口　ａ　ｑ　口　Ｈ　ａ　０　口　ａ　口　｝　Ｏ　。　口　ａ　０　０　Ｃ　ａ　４００　Ｓｎｎ　５５０　６００　图１移位装置总体设计方案　１．３施力机构设计　设计中可以采用机械或液压方式提供外力。　由于液压方式需要配置相关的泵站等设备，不利　于现场人员操作，因此采用机械方式，利用杠杆　原理，通过人工操作来实现力的施加，其结构原　理比较简单，操作也更为方便。施力方面，按每　个移位装置承载１５　ｔ计算，两个移位装置为一组，　共计３０　ｔ，采用一个主动机构设计，考虑氟材料的　低摩擦系数是已知固体材料中最低的，计算时取　滑动摩擦系数为０．０６，则需要外部施加质量１．８　ｔ，杠杆动力臂长０．７５　ｒｎ，阻力臂长０．０２５　ｍ（考虑　齿轮直径５０　ｍｍ），动力放大系数为３０，外部施加　质量不足７０　，由２名人员操作，人均不到３５　ｋｇ，　满足人均４０　ｋｇ的设计要求。具体设计时，考虑　操作方便，动力臂长度将超过０．７５　ｍ，以身高１．７０　ｍ计算，最佳操作高度为１．１　ｍ左右，去除移位装　置高度，可用动力臂长度为１．０　ｍ，因此，操作没　有问题。　１．４技术难点　这种新型重装备铁路横向移位装置的技术　难点主要体现在２方面。　（１）减阻技术。一般情况下滚动摩擦因数小　于滑动摩擦因数，故在减阻研究时一般采用滚动　摩擦替代滑动摩擦，但滚动摩擦设计存在高度　高、重量大、同步性控制难度大和对位精度低等　“先天”不足，同时考虑氟材料的低摩擦因数。因　此，设计中我们采用钢板配合四氟板（Ｆ４）的滑动　・－－——３４２・－－——　天津建设科技２Ｏ０８・增刊　摩擦方案。　（２）减重技术。考虑到移位装置是作为应急　使用的，其重量越轻，使用就越方便。因此，在方　案设计中，根据对现行新型材料的掌握，采用４种　不同材料，发挥各种材料的特长，进行优化设计。　在核心部分采用钢板配合四氟板，支撑座部分采　用玻璃钢，传力单元采用复合尼龙，达到了降低　装置自重的目的。　２理论分析　设计中，从局部承压和抗剪两个方面对孔周　围可能出现的应力集中进行了检算，以下是具体　的计算过程。计算结果为孔的设计提供依据。　已知Ｎ＝１５０　ｋＮ，　＝０．０６，　＝１２　ｒａｉｎ，ｌｌ＝４０　ｍｍ，１２　４０　ｒａｉｎ，１３　２０　ｍｍ。　（１）承压应力强度计算　对２—３截面（见图２）的局部承压强度进行　检算。　Ｌ２　一ｄ　］　ｌ　２　●　口　图２钢板　承压应力计算公式　＝　≤［　］　ｕ　１　式中：Ⅳ——作用于钢板上的竖直载荷；　——钢板与聚四氟乙烯板的摩擦因数；　——钢板的厚度；　ｌｌ——孔的宽度；　——低碳钢Ｑ２３５的容许承压应力，２１０　ＭＰａ。　由计算可得：　＝１８．７５　ＭＰａ，容许承压应力　［　］＝２１０　ＭＰａ，满足设计要求。　（２）抗剪强度计算　对１—２截面和３—４截面（见图２）的抗剪应　力强度进行检算。　剪应力计算公式ｒ＝　［ｒ］　式中：Ⅳ——作用于钢板上的竖直载荷；　维普资讯 http://www.cqvip.com 天津建设科技２００８・增刊　——钢板与聚四氟乙烯板的摩擦因数；　——钢板的厚度；　１２——孔距板边的距离；　［ｒ卜低碳钢　５的容许剪应力，８５　ＭＰａ。　由计算可得：ｒ＝９．３７５　ＭＰａ。容许用剪应力［ｒ］　＝８５　ＭＰａ，满足设计要求。　３仿真分析　为了进一步了解钢板和四氟板在滑动过程　中的整体应力分布情况，以便确定结构设计的合　理性，我们利用ＡＮＳＹＳ程序对其进行有限元分析。　钢板的尺寸为６００　ｍｉｌｌ×４００　ｍｉｌｌ×１２　ｍｉｌｌ，材料选　用低碳钢Ｑ２３５；四氟板的尺寸为７５０　ｍｉｌｌ×４２０　ｍｉｌｌ　×２０　ｍｍ；孔的尺寸见图２。　３．１建立有限元模型并划分网格　在局部简化的基础上，利用ＡＮＳＹＳ９．０软件建　立移位器的有限元模型。采用３Ｄ一８节点实体　单元ＳＯＬＩＤ４５进行离散。该单元具有塑性、蠕变、　膨胀、应力强化、大变形和大应变能力。每个节　点有６个自由度，即沿节点坐标系　、ｙ、ｚ方向　平动和沿坐标系　、ｙ、ｚ轴的转动［４］。由于钢板　和四氟板的接触属于面面接触，选用ｔａｒｇｅｔ１７０和　ｅｏｎｔａｅｔ１７３进行模拟。划分网格时，先对四氟板进　行映射网格划分，然后对带孔的钢板进行体扫描　网格划分，并在两孔附近进行局部网格细化，得　到有限元模型。整个模型共划分为７　６７８个节点　和７　２９６个单元。　３．２确定载荷分配和边界约束　３．２．１载荷分配　钢板位于四氟板的上方，不仅要承受竖向载　荷作用，还要受到水平方向的拉力，在模型中分　别转化为施加在面上的均布载荷。　３．２．２边界约束　根据移位器的工作原理，对四氟板的底面进　行全约束；对钢板的后端面沿水平拉力方向给０．　１５　ｍ的位移约束，以保证问题的收敛性。　从以下２种情况对移位器的工作过程进葡防真。　（１）２孔受力相等。假设钢板承受最大的载　荷，２条复合尼龙带工作正常，因此，两孔受力相　城市基础设施建设　等，载荷为ｌ８．７５　ＭＰａ，这种情况属于理想工况。　（２）１孔受力。假设钢板承受最大的载荷，１　条复合尼龙带工作正常，因此，只有１孔受力，载　荷为３７．５　ＭＰａ，这种情况属于最差工况。　３．３结果分析　材料Ｑ２３５钢的屈服强度ｃｒ６＝２３５　ＭＰａ，取安　全系数ｎ＝１．５，则许用应力［　］＝ａｂ／ｎ＝１５７　ＭＰａ　Ｊ，聚四氟乙烯板的抗压强度为１２．９　ＭＰａ。　从计算结果可以看出，受力相等时，２孔周围　应力分布均匀，其水平方向和竖直方向的最大应力　分别为５４．８　ＭＰａ和２．２５　ＭＰａ，剪应力的仿真分析　与理论检算基本一致；一孔受力时，水平、竖直方向　和剪应力的最大值均出现在这一工况，水平方向应　力　一＝９９　ＭＰａ，竖直方向应力　一＝３．４　ＭＰａ，剪　应力ｒ一＝５１．７　ＭＰａ，但仍低于材料的许用应力，　满足移位器的性能要求。　４结论　（１）将新材料引入移位器结构设计中，利用聚　四氟乙烯摩擦因数低的特点，采用钢板配合四氟　板的滑动摩擦设计方案，既达到了减阻的目的，　又降低了装置的高度。同时，利用杠杆原理，采　用机械施力方式，省去了泵站等设备，从而降低　了装置的自重，使得装置操作快速、简便。　（２）应用有限元分析软件ＡＮＳＹＳ对移位器的　主要受力部件进行了仿真分析，得出了在２种工　况下水平、竖直和剪力方向的应力，其强度远远　满足使用要求，其中最大应力值出现在１孔受力　的情况中。限于篇幅要求，本文只是对移位器的　核心受力部件进行了仿真分析，对导向机构和施　力机构暂不赘述。　参考文献：　［１］鲍平鑫，丁维坤．铁路军事运输［Ｍ］．北京：出版社，　１９９９．　［２］单辉祖．材料力学（Ｉ）［Ｍ］．北京：高等教育出版社，１９９９．　［３］中华人民共和国交通部．军用桥梁设计荷载［Ｍ］．北京：人　民交通出版社，１９８８．　［４］龚曙光，解桂兰．ＡＮｓＹｓ操作命令与参数化编程［Ｍ］．北京：　机械工业出版社，２００３．　－－・－——３４３－－・－——